专利名称：基于影像分割技术的立体影像行树三维信息提取方法
技术领域：
本发明属于测绘科学与技术领域，涉及一种基于影像分割(数据融合)技术的立体影像行树三维信息提取方法，该方法可以从彩红外或全彩色立体影像中自动提取行树的三维信息，这些三维信息可以应用于摄影测量与遥感、地理信息系统、资源环境等相关领域，尤其是土壤沙漠化监测、农田保护等领域。
背景技术：
利用被摄对象的多幅图像获取其三维几何模型，是摄影测量(Photogrammetry)的一个经典课题，目的是恢复物体表面形状或者恢复场景中相机和物体之间的距离。从1839年尼普斯和达意尔发明摄影技术起，摄影测量学已有160多年的历史了。随着计算机科学与技术的发展，摄影测量由基于精密光学、机械仪器的模拟摄影测量，经解析摄影测量发展为数字摄影测量，实现了完全计算机化。数字摄影测量是经典摄影测量与计算机科学的一门交叉学科，既充分利用了经典摄影测量的优点，又结合当前飞速发展的计算机科学与技术，形成了一套严密而完整的理论。
在土地资源日趋匮乏的今天，风侵蚀是可耕用地的最大威胁，会引起土壤肥分与有机物的流失，水分保持能力的减弱，最终导致土壤沙漠化，直接威胁到人类的生存。开阔地(如平原等)的行树(包括防风林)与篱笆等由于具有一定的长度、宽度和高度，会像挡风墙一样大大减弱风速，对防止土壤养分流失与耕地保护非常重要。因此，从影像中获取行树与篱笆的三维信息对土壤沙漠化分析和耕地保护具有重要价值，而影像分割和融合不同数据源进行综合分析是自动获取最优结果的重要手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于影像分割(数据融合)技术的；立体影像行树三维信息提取方法，该方法可以从彩红外(Color InfraRed，简称CIR)或全彩色(Red、Green、Blue，简称RGB)立体影像中自动提取行树的三维信息，不仅能够应用于摄影测量与遥感等领域，同时也能够为土壤沙漠化监测、耕地保护等应用提供重要的基础数据。
本发明提供的技术方案是，一种基于影像分割(数据融合)技术的立体影像行树三维信息提取方法，包括以下步骤
1.利用CIE L*a*b*色彩空间，计算彩色影像中各像素的CIE L*a*b*值，并根据a*值的正负将影像分割为植被区域和非植被区域；2.利用现有技术中的边缘提取技术从图像中提取分割后影像中的边缘信息；3.利用已知的地理信息系统(Geographical Information System，GIS)数据和每张影像的相机参数，去除影像上属于非植被区域如耕地、房屋、水体等无关区域的边缘；4.将剩余边缘连接为线段，然后根据线段的方向和相互之间的距离、夹角信息编组，获得对应于行树的近似中心线，并利用影像匹配技术获取精确的中心线；5.根据数字地表模型(Digital Surface Model，DSM)和相机参数，将立体影像上的同名线段转化为三维空间线段；6.利用DSM提供的地球表面的高度信息，基于行树总是高于地面这一特点，验证三维空间线段所在的位置是否对应于DSM中高度高于地面的位置，从而可以确定该三维线段是否为行树的中心线。
本发明所涉及的CIE L*a*b*色彩空间的原理如图1所示。其中L*分量表示光照的明暗度，其变化范围为最暗(0)到最亮(100)，a*分量的色彩变化为绿色(-120)到红色(+120)，b*分量的色彩变化则为蓝色(-120)到黄色(+120)。CIE L*a*b*可由CIE XYZ通过数学方法转换得到，各分量的计算公式为L＝116.(Y/Wy)1/3-16 如果 0.008856＜(Y/Wy)L＝903.3·(Y/Wy) 否则(1)a＝500·(F(X/Wx)-F(Y/Wy))b＝200·(F(Y/Wy)-F(Z/Wz))其中(X，Y，Z)为待转换的点在色彩空间CIE XYZ中的坐标，而(X，Y，Z)值可以由RGB值通过一定的数学模型转换得到。(Wx，Wy，Wz)是纯白色点的坐标。上式中用p分别表示X/Wx，Y/Wy和Z/Wz，则F(p)的计算方法为如果p＞0.008856，则有F(p)＝p1/3，否则F(p)＝7.787*p+16/116。
本发明所涉及的彩空间CIE XYZ的原理如图2所示。所有颜色定义在一个X+Y+Z＝1的平面上，互相垂直的X、Y、Z三个坐标轴分别对应红、绿、蓝三种颜色，三个坐标值的变化范围都是从0到1。在该平面上有一个纯白色点，在CIE XYZ坐标系下的值为(Wx，Wy，Wz)＝(0.312779，0.329184，0.358037)。
RGB色彩空间中的每个点都在CIE XYZ色彩空间中有唯一的对应点。其转换公式如下XYZ=0.4122910.3576640.1802090.2125880.7153290.0720840.0193260.1192210.949102·RGB---(2)]]>RGB和CIE L*a*b*之间并不存在直接的关系，从RGB到CIE L*a*b*的转换必须通过CIE XYZ进行，即首先由RGB转换到CIE XYZ，然后再由CIE XYZ转换到CIEL*a*b*。同样，从CIE L*a*b*到RGB的转换也必须通过CIE XYZ进行。
本发明的优点是无论彩红外还是全彩色影像，都可以利用本方法进行三维行树信息提取。可以使测绘工作者、环境学家、工程师和其它行业使用立体像对的人员在不需要摄影测量复杂知识背景的前提下，方便快捷地从影像中提取所需的行树信息。对于常规RGB影像中的绿色植被信息，CIE L*a*b*的a*分量总是负值(即a*＜0)，且植被信息越强，其数值越接近于-120；而对于CIR影像，则a*分量总是正值(即a*＞0)，且植被信息越强，其数值越接近于+120。也就是说，无论是RGB影像还是CIR影像，CIEL*a*b*都可以有效地进行植被信息的分割。所提出的影像分割方法将使多年前拍摄的全彩色影像在变化检测领域发挥至关重要的作用。
图1为CIE L*a*b*色彩空间的定义；图2为CIE XYZ色彩空间的定义；图3为本发明的总体流程图；图4为由一条影像线段和DSM确定空间线段的示意图。
具体实施例方式
参见图3和图4，本发明提供的利用数据融合技术从彩红外或全彩色影像中自动提取三维行树信息的方法，输入数据为立体影像、地理信息系统(GIS)数据、数字地表模型(DSM)和相机参数，具体实现方法包括以下步骤1.利用CIE L*a*b*色彩空间将彩红外或全彩色数字影像分割为植被区域和非植被区域(即图3中的“影像分割”)。具体方法是计算彩红外或全彩色影像中每个像素的CIE L*a*b*值，根据a*值的正负判断该像素是否属于植被区域。对于常规RGB影像中的绿色植被信息，CIE L*a*b*的a*分量总是负值(即a*＜0)，且植被信息越强，其数值越接近于-120；而对于CIR影像，则a*分量总是正值(即a*＞0)，且植被信息越强，其数值越接近于+120。
2.利用现有的边缘提取技术从分割后的影像中提取边缘信息(即图3中的“边缘提取”)。其中提取边缘时可以利用图像处理技术中现有的Canny算子、Sobel算子或LoG算子等。
3.利用已知的GIS数据和每张影像的相机参数，去除属于非植被区域(如耕地、房屋、水体等)的边缘(即图3中的“屏蔽无关区域”)。具体实现方法为将GIS数据中耕地、房屋、水体等区域的边界根据相机参数投影到影像上；然后去除这些区域内的边缘即可。
4.将剩余边缘拟合成线段，然后根据线段的方向和相互之间的距离信息编组，编组时需要考虑DSM信息，以免将分属不同行树的线段编入同一组。获得对应于行树的近似中心线后，即可利用现有的影像匹配技术获取精确的中心线(即图3中的“线段连接”、“线段编组”和“线段匹配”三部分)。
5.根据数字地表模型和相机参数生成三维空间线段(即图3中的“生成三维线段”)。如果立体像对的两张影像中都能够提取出对应于任意行树的同名直线段，则根据摄影测量中经典的前方交会方法即可确定三维直线；如果只有一张影像中能够提取出直线段，该线段的三维空间位置可以通过迭代方式获取。迭代趋近的原理如附图4所示。首先利用相机参数和影像上线段的端点计算从相机中心到线段端点的光线方向(即图4中的“光线方向”)，并将该光线与DSM平均高度hstart的水平面相交，求得交点M1，新的高度信息h(M1)可以根据投影后的平面位置从DSM数据中获得，然后再将光线与新高度h(M1)的水平面相交获得平面位置M2，并进一步获得更精确的高度信息h(M2)，如此循环迭代，直到两次迭代的高差小于某一预先给定的阀值。一般来说，进行三次左右迭代即可收敛到正确的三维位置。
6.利用DSM提供的地表的高度信息，基于行树总是高于地面这一特点，验证三维空间线段所在的位置是否对应于DSM中高于地面的位置，从而可以确定该三维线段是否为行树的中心线(即图3中的“三维验证”)。
权利要求
1.一种基于影像分割技术的立体影像行树三维信息提取方法，包括以下步骤一.利用CIE L*a*b*色彩空间，计算彩色影像中各像素的CIE L*a*b*值，并根据a*值的正负将影像分割为植被区域和非植被区域；二.利用边缘提取技术从图像中提取分割后影像中的边缘信息；三.利用已知的地理信息系统数据和每张影像的相机参数，去除属于非植被区域的边缘；四.将剩余边缘连接为线段，然后根据线段的方向和相互之间的距离、夹角信息编组，获得对应于行树的近似中心线，并利用影像匹配技术获取精确的中心线；五.根据数字地表模型和相机参数，将立体影像上的同名线段转化为三维空间线段；六.利用数字地表模型提供的地球表面的高度信息，基于行树总是高于地面这一特点，验证三维空间线段所在的位置是否对应于数字地表模型中高度高于地面的位置，从而确定该三维线段是否为行树的中心线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是立体影像为彩红外影像或全彩色影像。
全文摘要
本发明涉及一种基于影像分割技术的立体影像行树三维信息提取方法，包括以下步骤利用CIE L
文档编号G01C11/00GK1710380SQ20051001903
公开日2005年12月21日 申请日期2005年7月1日 优先权日2005年7月1日
发明者张永军, 张剑清, 张祖勋 申请人:武汉大学